실험실에서 만드는 석유
전 세계가 탄소 감축을 위해 청정에너지 사용을 늘려가고 있지만, 석유에 대한 수요는 여전히 높은 편입니다. 전기차의 보급률이 점점 증가하고 있지만 아직은 내연기관차가 더 많은 실정이고, 특히 전 세계가 하나의 생활권으로 연결되면서 비행기 수요는 떨어질 줄을 모르고 있죠.
사실 석유를 대체할 액체 연료를 만드는 일은 그 역사가 오래 되었습니다. 바로 인공 석유 또는 합성 석유라고 부르는 것인데요, 석탄이나 천연가스를 원료로 석유를 인공적으로 만들어내는 방법입니다.
오래된 역사를 가진 합성 석유
합성 석유를 개발한 역사는 1910년대로 거슬러 올라갑니다. 당시 화학공학 분야 강국이었던 독일에서는 전쟁으로 석유를 수입할 수 없을 때를 대비해 석탄에서 석유를 만드는 공법(석탄액화기술)을 개발하기 시작했습니다.
석탄액화기술에서 가장 유명한 건 1925년 카이저빌헬름연구소의 화학자 프란츠 피셔와 한스 트롭슈가 개발한 ‘피셔-트롭슈 공정’입니다. 간단히 말하면 석탄의 탄소와 공기 속 산소를 결합해 일산화탄소를 만든 뒤 여기에 수소를 넣어 반응시켜 액체 탄화수소, 즉 석유를 만드는 것이죠.
합성 석유를 생산하는 남아프리카공화국 화학 회사 사솔(sasol)의 거대 단지 © ENGINEERING NEWS
이 과정은 두 단계를 거칩니다. 먼저 석탄을 700도가 넘는 고온에서 가열해 일산화탄소(CO)와 수소분자(H2)로 기체화합니다. 그 다음에 촉매를 사용해 이 기체에서 석유를 추출합니다. 액체연료는 탄화수소분자의 분포에 따라 휘발유와 항공유, 디젤유로 분류할 수 있습니다.
석탄액화기술은 ‘피셔-트롭슈 공정’ 이후 발전을 거듭했습니다. 남아프리카공화국의 화학회사 사솔(Sasol)이 피셔-트롭슈 공정을 개선해 1982년부터 하루 15만 배럴의 합성 석유를 생산하기도 했습니다.
합성 석유의 관건은 생산량입니다. 남아프리카공화국의 사솔은 매일 15만 배럴의 합성 석유를 생산하고 있는데, 이는 우리나라 하루 수요의 약 10%도 되지 못하는 양입니다. 따라서 최근의 과학자들은 전통적인 두 단계를 거치지 않고 제올라이트와 코발트 나노입자 촉매를 사용해 천연가스에서 바로 석유를 추출하는 기술을 개발하기도 했습니다. 2030년에는 합성 석유 기술의 발전으로 240만배럴의 공급량을 산출할 수 있을 것으로 전망됩니다.
생물에서 추출하는 석유, 바이오연료
합성 석유 외에 또 다른 대안으로는 생물체를 연소하거나 생물학적 처리공정을 통해 석유를 생산하는 바이오 연료가 있습니다. 가장 대표적인 것이 바로 바이오 디젤과 바이오 에탄올이죠.
리그닌으로 만드는 항공유 사이클. © 한국과학기술연구원
폐식용유나 유채꽃, 콩 등에서 식물성 기름을 추출하는 바이오 디젤은 현재 일반 경유와 혼합하여 사용하고 있습니다. 우리나라에서도 바이오 디젤 연구가 활발해 미세 조류로부터 연료를 추출하는 공법을 시험 개발하기도 했습니다. 유기나노점토를 통해 클로렐라 같은 미세조류를 대량으로 모은 뒤 촉매로 조류의 세포벽을 파괴해 오일을 추출하는 것입니다.
바이오 에탄올은 사탕수수, 옥수수, 밀 등에 함유된 당분을 발효해 제조합니다. 이것 역시 휘발유에 혼합되어 사용해 온실 가스를 줄이는 데 역할을 할 수 있습니다.
목재 폐기물 ‘리그닌’으로 항공유 생산 성공
바이오 연료 기술도 현재 한창 진행 중인 연구라 획기적인 성과가 계속해서 쏟아지고 있습니다. 최근에는 국내 연구진이 목재 폐기물인 리그닌에서 항공유를 대량생산하는 데 성공했습니다. 리그닌은 목재의 구성성분으로 고분자 화합물인데요, 주로 종이를 만들 때 폐기물로 많이 나옵니다.
그동안 리그닌을 열분해할 때 나오는 리그닌 오일은 점도가 매우 높은 끈적끈적한 상태여서 산업적으로 활용하기가 어려웠는데요, 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터에서는 끈적한 리그닌오일을 화학적으로 처리해 점도를 낮추는 기술을 개발하고 이를 이용해 항공유급 바이오연료를 연속공정으로 생산하는 기술을 개발했습니다.
연구팀은 리그닌 오일의 점도를 낮추는 작업에 ‘수첨 분해’를 활용했습니다. 수첨 분해란 수소를 첨가한 후 고온과 고압을 가해 연료로 쓰기 어렵던 기름을 분해하는 기술이죠. 이를 거쳐 제조한 리그닌 오일을 기존의 끈적한 리그닌 오일과 7대 3 비율로 혼합했는데요, 그 결과 기존 리그닌 오일보다 점도가 7분의 1정도로 낮은 산업용 오일이 탄생했습니다. 이 점도는 식용유보다 조금 높은 수준이라고 합니다. 연구팀은 이 오일을 다시 수첨 분해에 활용해 석유 대체 연료로 대량 생산 가능하도록 했습니다. 최종 연료는 항공유처럼 어는점이 낮으면서도 에너지 밀도가 높아 바이오항공유로도 활용할 수 있다고 합니다.
